楊福平 趙理芳 余剛?cè)?岑 超 周 昕

1 浙江省地震局，杭州市塘苗路7號，3100132 江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司，南京市石門坎102號，210014

珊溪水庫大壩位于浙江省溫州市文成縣和泰順縣之間。大壩建設(shè)前，附近25 km范圍內(nèi)未記載到歷史地震及現(xiàn)今地震，50 km范圍內(nèi)僅記載到3次3.5～4.0級歷史地震及3次小于2.0級現(xiàn)今地震，地震活動頻度低、強(qiáng)度小。2000-05珊溪水庫蓄水，2002-07發(fā)生ML3.5震群，之后地震持續(xù)不斷，2006年及2014年分別發(fā)生2次4.0級以上震群，最大震級分別達(dá)到4.6級和4.2級，最大影響烈度均達(dá)到Ⅵ度，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響[1]。

學(xué)者們對珊溪水庫庫區(qū)的斷裂構(gòu)造進(jìn)行大量研究，以尋找地震發(fā)生的原因。馬志江等[2]通過野外地質(zhì)調(diào)查，認(rèn)為雙溪-焦溪垟斷裂結(jié)構(gòu)面利于庫水下滲，破壞了應(yīng)力平衡，從而誘發(fā)地震活動。鐘羽云等[3]利用最小二乘法擬合發(fā)震斷層面參數(shù)，認(rèn)為珊溪水庫地震序列是由NW向雙溪-焦溪垟斷裂右旋走滑的主破裂與NE向南浦-焦溪垟斷裂、NW向東坑-章坑斷裂、NEE向巖上斷裂等多個次要破裂共同作用的結(jié)果。浙江省防震減災(zāi)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)項目在珊溪水庫庫區(qū)布設(shè)18 km深反射測線，發(fā)現(xiàn)NW向雙溪-焦溪垟斷裂為一條規(guī)模較大的深斷裂，斷裂向深部延伸超過20 km進(jìn)入中下地殼，是該地區(qū)主要的控制斷裂，也是珊溪水庫地震的發(fā)震斷裂[4]。同時，項目在該位置布設(shè)長約16.2 km的大地電磁測深測線，獲得該剖面的電阻率特征，進(jìn)行地震構(gòu)造解釋，并初步分析地質(zhì)構(gòu)造與地震的關(guān)系[5]。

前人對珊溪水庫庫區(qū)斷裂的研究主要集中在地表地質(zhì)方面，僅能從面上對深部構(gòu)造進(jìn)行探測，缺少對深部構(gòu)造的三維認(rèn)識。地震精定位結(jié)果表明，珊溪水庫地震沿雙溪-焦溪垟斷裂呈線狀分布[6-7]，且地震的位置隨時間發(fā)生變化，說明地下構(gòu)造存在不均勻性。大地電磁方法對深部介質(zhì)電導(dǎo)率變化反映最靈敏、分辨力最高，廣泛應(yīng)用于地震區(qū)深部孕震構(gòu)造環(huán)境和斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測研究[8-9]。本文在珊溪水庫庫區(qū)開展高密度三維大地電磁探測工作，以建立研究區(qū)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，確定深部構(gòu)造特征并分析地下流體滲透特征，對珊溪水庫地震發(fā)生的機(jī)理及深部構(gòu)造孕震原因進(jìn)行探討?？紤]到珊溪水庫地震的震源深度均小于10 km，因此本次勘探深度確定為10 km。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景及電阻率特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

珊溪庫區(qū)位于華南褶皺系浙東南褶皺帶的溫州-臨海坳陷區(qū)南部，庫區(qū)在太古代結(jié)晶基底上沉積巨厚的中生代火山碎屑及河湖相沉積[6]。珊溪水庫地區(qū)構(gòu)造以北東向和北西向斷裂為主，其次為東西向和南北向斷裂(圖1)。庫區(qū)及附近范圍內(nèi)共發(fā)育14條斷裂，多為蓋層斷裂，主要位于上侏羅統(tǒng)火山巖及下白堊統(tǒng)火山沉積巖中，該區(qū)斷裂以陡傾角逆斷層、逆走滑斷層為主[2]，斷層規(guī)模較小，寬度多在10 m以內(nèi)，長度均小于25 km，深度達(dá)5 km以上，切穿基底變質(zhì)巖。北東向斷裂帶內(nèi)擠壓構(gòu)造透鏡體、劈理發(fā)育，形成于前中生代，破碎帶剝蝕較淺，往往被北西向斷裂切割。北西向斷裂帶內(nèi)擠壓構(gòu)造透鏡體、斷層泥及片理發(fā)育，斷裂形成于燕山晚期[3]。

1.2 電阻率特征

庫區(qū)上侏羅統(tǒng)磨石山組火山沉積巖大面積分布；下白堊統(tǒng)河湖相碎屑巖及火山碎屑巖沉積分布于三維探測區(qū)東北和西南緣；第四系全新統(tǒng)沖積砂礫石沿飛云江河谷分布或發(fā)育在丘陵區(qū)。燕山晚期花崗巖在三維探測區(qū)東南出露，燕山晚期花崗斑巖巖脈穿插于三維探測區(qū)內(nèi)外(圖1)。

圖1 珊溪水庫地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及測點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Geological structure and surveying points layout in Shanxi reservoir area

測定庫區(qū)及周邊地區(qū)采集的200余塊巖石標(biāo)本的電阻率，結(jié)果見表1。可以看出，白堊系、侏羅系和上古生界鶴溪群片巖呈低阻特征，三疊系、前震旦變質(zhì)巖和花崗巖呈高阻特征。

表1 地層電阻率統(tǒng)計

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 野外數(shù)據(jù)采集

本次三維大地電磁探測布設(shè)范圍為119.95°～120.07°E、27.61°～27.72°N，總面積70 km2，共部署21條測線，測線走向為北東向，方位角約為28°，線距500 m，點(diǎn)距250 m，物理點(diǎn)共609個(圖1)。電法采用天然場源的大地電磁測深法，觀測儀器為V5-2000型大地電磁儀，采集頻率為320～0.000 55 Hz。電法數(shù)據(jù)共完成坐標(biāo)點(diǎn)612個，平均觀測時長為10.38 h，最長觀測時長為23.3 h，最短觀測時長為6.2 h，取得較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，其中Ⅰ級品坐標(biāo)點(diǎn)共531個，Ⅰ級品率為86.8%。

2.2 數(shù)據(jù)處理與解釋

數(shù)據(jù)處理包括：1)采用多種技術(shù)試圖從多方面消除資料中的干擾噪聲；2)采用剖面與平面結(jié)合的方式進(jìn)行靜態(tài)校正。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)繪制成各種定性圖件，結(jié)合測區(qū)地質(zhì)及介質(zhì)電性分布特征進(jìn)行定性分析。通過多種反演方法[10]，將頻率域的定性資料轉(zhuǎn)換為空間域的定量地電斷面，給出地下不同深度的電性參數(shù)，結(jié)合所掌握的地質(zhì)資料和地質(zhì)認(rèn)識以及其他地球物理資料，給出合理的地質(zhì)解釋。

3 三維電阻率特征與地質(zhì)解釋

3.1 三維電阻率特征

通過數(shù)據(jù)處理和三維電法反演，獲得研究區(qū)三維電阻率數(shù)據(jù)體(反演深度10 km)，三維電阻率特征顯示，地下電阻率整體呈現(xiàn)低-高-低的3層電性結(jié)構(gòu)(圖2)。物性工作表明，研究區(qū)地層上白堊統(tǒng)、侏羅系和上古生界鶴溪群片巖分別呈現(xiàn)低、高、低的電阻率特征。低-高-低的3層電性結(jié)構(gòu)與地層的對應(yīng)關(guān)系為：淺部低電阻率層對應(yīng)白堊系地層(K)及含地下水較多的侏羅系地層(J-1)；中部高電阻率層對應(yīng)侏羅系火山沉積巖系(J)；下部低電阻率層對應(yīng)上古生界鶴溪群片巖(Pz2hx)。

圖2 三維電法數(shù)據(jù)體Fig.2 3D electrical data volume

斷層在三維電法反演數(shù)據(jù)體上主要反映為因水體沿斷裂帶下滲，形成較兩側(cè)地質(zhì)體電阻率相對更低的“低阻帶”，不同特征的電阻率會出現(xiàn)異常分界線，即異常梯級帶，此外還存在等值線扭曲和錯斷的現(xiàn)象。研究區(qū)斷層延伸長，但寬度小，一般均小于10 m，因此在三維電法數(shù)據(jù)體上，斷層更多地直接與“低阻帶”相關(guān)。

3.2 三維構(gòu)造特征

根據(jù)三維電法反演結(jié)果建立研究區(qū)地質(zhì)三維模型(圖3(a))。可以看出，研究區(qū)地下主要由3個地層組成，淺部為含水的侏羅系地層(J-1)，中部為侏羅系火山沉積巖系(J)，深部為上古生界地層(Pz2)。研究區(qū)東南側(cè)被福首源花崗巖體侵入，而西山出露的輝綠巖和塘山西側(cè)以及巖上與庫嶺之間的花崗斑巖由于規(guī)模較小，難以引起大規(guī)模的物探異常。因此，本文主要刻畫福首源村周邊花崗巖體的三維結(jié)構(gòu)。福首源村北側(cè)和西側(cè)出露的花崗巖在研究區(qū)東南角連成一體，其上部被殘留的侏羅系地層覆蓋，巖體邊界較陡。

圖3 三維地質(zhì)模型和三維斷裂構(gòu)造模型Fig.3 3D geological model and 3D fault structure model

結(jié)合本次大地電磁探測結(jié)果、地表構(gòu)造資料[2]、地震研究結(jié)果[3]以及深反射解釋結(jié)果[4]，確定研究區(qū)深部地震構(gòu)造特征(圖3(b))。從圖3(b)中可以看出，研究區(qū)發(fā)育8條斷裂(表2)，以陡傾角斷裂為主，傾角一般大于60°。其中，f11-1為南西傾逆斷層，f14為北西傾正斷層，F(xiàn)3為南西西傾正斷層，3條斷裂組成向西南側(cè)伏的三角形斷塊。

表2 研究區(qū)內(nèi)主要斷裂性質(zhì)

4 地震活動與深部構(gòu)造環(huán)境

4.1 斷裂深部特征與地震活動

從地震震中與研究區(qū)斷裂的位置關(guān)系來看，地震活動主要受雙溪-焦溪垟斷裂f11控制，與其他斷裂關(guān)系較小(圖4(a))。從圖4(b)可以看出，地震震中從地表一直延伸至上古生界地層，但主要集中在侏羅系地層中。侏羅系巖性復(fù)雜，層次較多，根據(jù)巖性組合與接觸關(guān)系可劃分為4段，主要為流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r夾砂巖、泥巖、炭質(zhì)頁巖或煤線、流紋巖、流紋斑巖等[10]。淺部侏羅系地層較為破碎，節(jié)理發(fā)育，具有較好的滲水性。中部侏羅系火山沉積巖系主要為上侏羅統(tǒng)c段含煤地層及下白堊統(tǒng)館頭組和朝川組河湖相沉積巖與火山巖，屬于良好的隔水層，因此呈現(xiàn)高阻特征。虞永林[11]分析認(rèn)為，透水層與隔水層組成阻塞的水文地質(zhì)環(huán)境是誘發(fā)水庫地震的重要水文地質(zhì)條件。在滲水性地質(zhì)體周圍存在隔水層，可形成半封閉或近似封閉的阻塞系統(tǒng)，造成內(nèi)外或兩側(cè)存在較大動水壓力差，從而使積累的應(yīng)變能沿斷裂或其他軟弱面釋放而發(fā)生地震。研究區(qū)發(fā)震原理可能與此類似，地下水通過雙溪-焦溪垟斷裂向下滲透，形成封閉式阻塞系統(tǒng)，積累應(yīng)變能而發(fā)生地震。

綠色等值面為J-1與J分界面，藍(lán)色等值面為J與Pz2分界面圖4 地震震中與研究區(qū)斷裂位置關(guān)系Fig.4 The relationship between earthquake epicentersand fault positions in study area

鐘羽云等[3]利用震源位置資料采用最小二乘法擬合得到發(fā)震斷裂斷層面參數(shù)為走向132°、傾向85°，與本次大地電磁法測得的雙溪-焦溪垟斷裂結(jié)果相當(dāng)，基本可確定雙溪-焦溪垟斷裂為珊溪水庫地震的發(fā)震斷裂。綜合本次研究結(jié)果及以往深地震反射結(jié)果[4]可知，雙溪-焦溪垟斷裂為一條規(guī)模較大的斷裂，該斷裂向深部切穿上地殼以及中地殼底界面直至下地殼。在斷層兩側(cè)，上地殼底界面以及中地殼地層的產(chǎn)狀特征變化明顯，呈疊瓦狀形式展布。雙溪-焦溪垟斷裂主要呈北西向，具備孕育中強(qiáng)地震的能力。

4.2 深部特殊構(gòu)造與地震活動

從三維地質(zhì)模型(圖3)來看，f11-1、f14和F3斷裂組成一個向西南側(cè)伏的三角形斷塊，地震震中主要位于該三角形斷塊范圍內(nèi)(圖5(a))，且震級較高(大于2.5級)的地震震中基本均位于其中。珊溪水庫區(qū)震源深度統(tǒng)計結(jié)果表明，地震主要發(fā)生在-3 000 ～-5 000 m深度范圍。因此本文對三維電法數(shù)據(jù)體進(jìn)行水平切片，并將地震震中投影到-4 000 m水平切片上(圖5(b))。由圖可知，大量地震震中仍然集中在F3、f14和f11-1斷裂形成的三角形斷塊內(nèi)。

圖5 地震震中與三角形斷塊位置關(guān)系Fig.5 The relationship between earthquake epicenters and position of triangular fault block

李祖武[12]認(rèn)為，水庫地震一般發(fā)生于活動斷裂弧形拐點(diǎn)或幾組構(gòu)造線交會處，以及應(yīng)力易于集中特別是張剪應(yīng)力集中的特殊構(gòu)造部位。研究區(qū)深部f11-1、f14和F3斷裂形成三角形斷塊特殊構(gòu)造，該構(gòu)造位置可能為應(yīng)力集中區(qū)，在沿f11“低阻通道”下滲的地下水作用下，較容易發(fā)生相對位移，這可能是研究區(qū)震級較高的地震震中基本位于其中的主要原因。

4.3 地震向東未穿過F2原因分析

從地震震中三維分布圖可以看出，地震主要分布在F2斷裂以西，向東不穿過F2斷裂(圖6)。研究區(qū)東南部為花崗巖體，該巖體具有高阻特征，裂隙較少、滲透性較差，為致密不含水巖體。該花崗巖在地表局部出露，在深部連成整體，僅在中間殘留部分侏羅系地層，致密的花崗巖體會阻礙地下水沿f11斷層向東滲透。另外，三維斷裂構(gòu)造結(jié)果顯示，隱伏斷裂f16和f10被F2和f7隔斷。F2西側(cè)f10為南傾正斷層，而F2東側(cè)隱伏斷裂f16為北傾正斷層(圖6)，因此F2兩側(cè)構(gòu)造體制發(fā)生了轉(zhuǎn)換。

圖6 地震震中與F2、f10、f16位置關(guān)系Fig.6 The relationship between earthquake epicenters and positions of F2, f10 and f16

據(jù)此分析，地震向東未穿過F2的原因可能有3點(diǎn)：1)飛云江向下游沿F2斷裂往東北側(cè)轉(zhuǎn)向，雙溪-焦溪垟斷裂f11在F2以東部分地表無水體，缺乏大量水體沿斷裂下滲的前提。2)由于存在致密的花崗巖體阻擋，西側(cè)地下水無法沿斷層向東滲透。3)F2兩側(cè)構(gòu)造體制發(fā)生轉(zhuǎn)換。F2可能起到阻隔誘發(fā)地震的地應(yīng)力向東傳播的作用，使得F2東側(cè)的力學(xué)性質(zhì)與西側(cè)存在差別，因此不易發(fā)生地震。

4.4 流體滲透特征及與地震活動的關(guān)系

研究區(qū)內(nèi)侏羅系地層主要表現(xiàn)為中高阻特征，主要流體為庫水和地下水，近地表淺部由于降雨較多，地下水豐富，流體容易呈面狀向四周滲透，造成淺部地層電阻較低。從三維電法數(shù)據(jù)體可知，整個研究區(qū)淺部均存在相對低阻層，巖體出露區(qū)淺部電阻率相比周邊地層較高。

由于研究區(qū)內(nèi)斷裂寬度一般約為10 m，如無庫水或地下水沿斷裂下滲，則難以形成大規(guī)模的自地表向深部延續(xù)的低阻帶。因此研究區(qū)地下流體的滲透特征在電阻率剖面和電法三維數(shù)據(jù)體上主要表現(xiàn)為在高阻體中夾持低阻帶。為此，本文從三維電法數(shù)據(jù)體中提取研究區(qū)內(nèi)規(guī)模最大，且自地表向深部延續(xù)的低阻帶(圖3(a))，即“低阻通道”，其基本可代表流體滲透通道。研究區(qū)“低阻通道”共有3處，分別為研究區(qū)西南側(cè)程坑附近F3“低阻通道”、中部塘壟碼頭附近f11-3“低阻通道”和東北側(cè)珊溪鎮(zhèn)附近f15“低阻通道”(圖3(b))。

將震中與“低阻通道”疊合發(fā)現(xiàn)，地震活動集中在中部f11-3“低阻通道”沿線，研究區(qū)西南側(cè)F3“低阻通道”和東北側(cè)f15“低阻通道”處并無地震活動(圖7(b))?？梢姡暗妥柰ǖ馈笔堑卣鸹顒有纬傻臈l件之一。

圖7 地震活動與“低阻通道”關(guān)系Fig.7 The relationship between seismic activities and low-resistance channel

鐘羽云等[13]研究發(fā)現(xiàn)，雙溪-焦溪垟斷裂在水庫區(qū)塘壟碼頭附近出露一系列張裂隙，這些裂隙以豎向為主，基本與斷層面平行，具有較好的連通性，容易導(dǎo)致庫水向深部下滲。這與本次探測發(fā)現(xiàn)的f11-3“低阻通道”位置基本一致，該“低阻通道”導(dǎo)致地下水向深部滲透，降低了斷層面上的正應(yīng)力，從而誘發(fā)了地震。

對比“低阻通道”與不同期次地震震中發(fā)現(xiàn)，2006年地震震中基本局限在f11-3“低阻通道”及其西側(cè)一定范圍內(nèi)。f11-3“低阻通道”作為現(xiàn)今研究區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的低阻帶，是研究區(qū)內(nèi)庫水下滲最多的區(qū)域，也是最容易發(fā)生庫水下滲的部位，早期地震應(yīng)從該區(qū)域開始。前文已論述地震向東不穿過F2斷裂，2006年地震基本集中在f11-3“低阻通道”及西側(cè)，符合早期地震從最容易發(fā)生庫水下滲區(qū)域開始的規(guī)律。

2006年以后，地震活動位置明顯向西北側(cè)移動，地震震中多集中在前文所述的三角形斷塊范圍內(nèi)，f11-3“低阻通道”周邊的地震活動較少。2014年地震則進(jìn)一步向西北側(cè)移動，f11-3“低阻通道”周邊仍有零星地震活動發(fā)生。該現(xiàn)象可解釋為：庫水從最容易下滲的f11-3“低阻通道”下滲，使巖體中孔隙達(dá)到飽和狀態(tài)，增加了孔隙壓力，降低了斷層面強(qiáng)度而發(fā)生2006年震群。該次地震發(fā)生后，可能進(jìn)一步產(chǎn)生向西的滲透通道，流體逐步向西北側(cè)滲透遷移，地震活動也隨之向西北側(cè)移動。

5 結(jié) 語

本文首次采用三維大地電磁測深方法確定珊溪水庫70 km2范圍的深部精細(xì)三維地質(zhì)及斷裂構(gòu)造，分析深部構(gòu)造特征與地震的關(guān)系，研究珊溪水庫誘發(fā)地震的深部構(gòu)造環(huán)境，得到以下結(jié)論：

1) 利用大地電磁測深法對斷裂的深部構(gòu)造特征進(jìn)行系統(tǒng)刻畫，獲得了研究區(qū)斷裂深部的傾向、傾角、延伸方向和深度，確定了不同斷裂之間的組合關(guān)系，建立了本區(qū)三維地質(zhì)模型和構(gòu)造模型，為研究地震與地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系提供了基礎(chǔ)，同時新發(fā)現(xiàn)了f15、f16兩條隱伏斷裂。

2) 珊溪水庫發(fā)生水庫誘發(fā)地震的原因主要有3點(diǎn)：①雙溪-焦溪垟斷裂f11是一條規(guī)模較大的斷裂，研究區(qū)具備水庫誘發(fā)地震的構(gòu)造條件。②研究區(qū)內(nèi)存在“低阻通道”，具備滲透條件，有利于地下水向深部滲透，從而誘發(fā)地震。③庫區(qū)地下存在特殊的三角形構(gòu)造，該構(gòu)造易發(fā)生地震。

3) 綜合分析認(rèn)為，地震向東未穿過F2的原因可能有3點(diǎn)：①飛云江向下游沿F2斷裂往東北側(cè)轉(zhuǎn)向，雙溪-焦溪垟斷裂f11在F2以東部分地表無水體，缺乏大量水體沿斷裂下滲的前提。②由于存在致密的花崗巖體阻擋，西側(cè)地下水無法沿斷層向東滲透。③F2兩側(cè)構(gòu)造體制發(fā)生轉(zhuǎn)換，使得F2東側(cè)的力學(xué)性質(zhì)與西側(cè)存在差別，F(xiàn)2可能起到阻隔誘發(fā)地震的地應(yīng)力向東傳播的作用，因此不易發(fā)生地震。

4) 地下水沿“低阻通道”向西滲透是地震逐漸向西遷移的主要原因。對比2006～2014年不同期次地震震中的分布和“低阻通道”及電性結(jié)構(gòu)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，早期庫水沿最容易發(fā)生庫水下滲的f11-3流體通道下滲，地震發(fā)生在f11-3流體通道及周邊區(qū)域，隨后流體自東南向西北滲透，庫水下滲活動向西北側(cè)遷移，地震活動也沿東南向西北方向呈現(xiàn)階段性遷移。

從已發(fā)生的地震分布來看，地震沿f11段裂逐步向西遷移，但本次探測范圍未包含f11斷層西段，無法確定斷層西段的地下三維構(gòu)造特征，也無法確定地震是否沿著該斷層繼續(xù)向西擴(kuò)展。如果能在西側(cè)進(jìn)一步開展三維探測，將獲得整個珊溪地區(qū)三維地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征，對研究珊溪水庫的深部構(gòu)造環(huán)境及地震預(yù)報均具有重要意義。對于其他大型水庫，如果能夠在水庫建成蓄水后立即開展類似探測，可為開展水庫誘發(fā)地震預(yù)測預(yù)報提供重要的基礎(chǔ)資料。